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Submitted on 1 Jan 1966
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Réalisation et propriétés des photopiles solaires en couches minces de tellurure de cuivre et tellurure de
cadmium
J. Lebrun
To cite this version:
J. Lebrun. Réalisation et propriétés des photopiles solaires en couches minces de tellurure de cuivre et tellurure de cadmium. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1966, 1 (3), pp.204-208. �10.1051/rphysap:0196600103020400�. �jpa-00242717�
204.
RÉALISATION ET PROPRIÉTÉS DES PHOTOPILES SOLAIRES EN COUCHES MINCES DE TELLURURE DE CUIVRE ET TELLURURE DE CADMIUM
Par J. LEBRUN,
Radiotechnique 2014 Coprim R. T. C., Suresnes.
Résumé. 2014 On réalise des photopiles en couches minces en déposant sur une feuille de molybdène du tellurure de cadmium (n), par réaction en phase vapeur des constituants. La
région (p) est obtenue par évaporation sous vide de tellurure de cuivre, le contact étant
assuré par une grille d’or évaporé. On a mesuré les principales caractéristiques de ces cellules.
Pour un éclairement de 50 mW/cm2, on obtient un courant de court-circuit de 7 mA/cm2,
une tension à vide de 400 à 500 mV et un rendement énergétique de 3 %.
Abstract. 2014 We have made thin film solar cells by depositing cadmium telluride on molyb-
denum sheet by vapor reaction of the components. The p layer is obtained by vacuum eva-
poration of copper telluride and the p contact is made by an evaporated gold grid. We
have measured the parameters of these cells. For a solar energy of 50 mW/cm2 the short
circuit current is 7 mA/cm2, the open voltage is 400 to 500 mV and the efficiency 3 %.
REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 1, SEPTEMBRE 1966, PAGE
1. Introduction. - Pour des raisons techniques
et économiques les cellules solaires en couches minces présentent un grand intérêt. La présente
étude sur les photopiles solaires en couches minces
de tellurure de cadmium et tellurure de cuivre a été
entreprise à la Radiotechnique Coprim, dans le
cadre d’un contrat du Centre National d’Etudes Spatiales.
Le dépôt sur support de molybdène du CdTe dopé n s’obtient par une méthode équivalente à celle
utilisée par Cusano [1] sans dopage au gallium cepen-
dant. La partie p réalisée par différentes méthodes dont l’une d’elles, mise au point au C. N. R. S. à
Bellevue [2] sur du CdTe massif, constitue une solin.
tion originale pour le matériau en couche mince.
Il nous a alors été possible de comparer ce diverses techniques de réalisation ainsi que les pro
priétés des cellules réalisées.
II. Réalisation des photopiles. 2013 La figure 1
monture les différentes structures étudiées sur sup port de molybdène avec ou sans CdS intermédiaire
FIG. 1.
entre CdTe (n) et molybdène, avec ou sans CdTe
intermédiaire entre la couche (n) et (p). La figure 2 rappelle l’essentiel du principe de l’appareillage type Cusano.
A. RÉALISATION DE LA COUCHE n. PROPRIÉTÉS. -
a) Pour la mesure des propriétés optiques ou élec- triques de la couche n, il est nécessaire d’avoir des
dépôts témoins sur support pyrex. Toutefois les pro-
priétés mesurées dans ces conditions sont des pro-
priétés longitudinales alors que nous utilisons des
propriétés transversales dans la photopile ; les résis-
tivités (sans dopage au Ga) s’échelonnent entre 50
et 1 000 03A9cm, les mobilités sont comprises entre 20
et 100 cm2/V. s.
b) Pour les dépôts sur molybdène, s’est posé le problème du contact métal CdTe ; nous montrerons plus loin ses effets sur les caractéristiques I-V, à
l’obscurité et sous éclairement. L’insertion d’une couche intermédiaire de CdS résoud en partie le
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0196600103020400
205
FIG. 2. - Enceinte de réaction.
problème. La granulométrie du dépôt est très
variable. On note des zones cristallisées comme le
montre un examen en diffraction électronique.
B. RÉALISATION DE LA COUCHE p. PROPRIÉTÉS. -
a) Méthode par immersion. Nous avons d’abord utilisé cette méthode mentionnée dans la litté-
rature [1] pour former une fine couche transparente de Cu2-xTe.
L’étude de l’épaisseur du dépôt en fonction du temps d’immersion a été conduite en mesurant la résistance superficielle en fonction du temps. La
figure 3 nous montre que, pour la solution utilisée
et au bout de 15 secondes, on obtient des dépôts
de 100 03A9/carré. En général, nous stopnons l’immer- sion à cette valeur.
b) Evaporation d’une fine couche de Cu2_xTe
sous vide par une méthode flash : sur des supports témoins nous pouvons mesurer les paramètres de
ces dépôts. En particulier, la résistance superficielle
est de l’ordre de 100 03A9/carré, la mobilité de l’ordre de 6 cm2/V.s, ce qui conduit à des densités de 1021
porteurs environ. La figure 4 donne la courbe de
FIG. 3. - Cu2-g Te : Rs = f(t)
transmission optique du CU2-zTe obtenu par cette méthode.
c) Évaporation d’une couche de CdTe intrin-
sèque intermédiaire : dans la préparation qui s’ins- pire intégralement de celle décrite par Cusano, il
est possible en fin de dépôt d’obtenir une région
FIG. 4. - Transmission optique Cu2-x Te.
206
moins n et même légèrement dopée p. Cette région
est essentielle à l’obtention de bonnes performances photovoltaïques. Après nous être assuré qu’une
telle couche de transition n’existait pas dans nos
échantillons, nous avons évaporé sous vide une
couche de CdTe intrinsèque d’au moins 1 000 Á. La
couche évaporée de CU2_xTe complète alors la struc-
ture.
d) Nous avons également évaporé une fine couche
d’or transparente sur CdTe n et tenté des traite-
ments thermiques pour obtenir un effet photovol- taïque. Nous en donnerons plus loin les résultats.
e) Enfin comme collecteur une grille d’or évapo-
rée : sa transparence est de 80 % environ. Le
contact ...JBu-Cu2-xTe se révèle parfaitement ohmique
et de faible valeur. Nous obtenons ainsi des résultats
plus reproductibles qu’avec des grilles métalliques appliquées, les performances maximales étant iden- tiques.
III. Propriétés des photopiles. - a) Technique
d’étude d’un paramètre. - Par la réalisation de cel- lules jumelées sur un même support, donc présen-
tant peu d’écart quant à la qualité de la couche n,
il est possible d’étudier deux cellules présentant une
faible différence dans un paramètre.
b) La comparaison des rendements obtenus per-
met l’élimination d’un’certain nombre de méthodes de réalisation. C’est ainsi qu’à qualité égale de la
couche n, nous avons obtenu les rendements sois
vants :
Ces résultats sont significatifs : il est beaucoup plus sûr de réaliser des cellules de bonnes perfor-
mances en évaporant le Cu2-xTe.
La cellule CdTeAu n’est évidemment qu’un simple
contact métal semiconducteur.
L’immersion provoque de nombreux courts-
circuits et, si on peut encore obtenir sous éclairement des courants de court-circuit convenables, les ten-
sions à vide sont toujours relativement faibles. Ces conclusions ne sont toutefois valables que pour la
qualité des dépôts que nous réalisons actuellement.
En ce qui concerne les cellules avec couche p obtenue par évaporation, la comparaison entre les
deux méthodes de fabrication, avec et sans CdTe intrinsèque intermédiaire donne les résultats sui- vants, établis sur de nombreux échantillons :
Tension à vide Vco (avec CdTe) supérieure de 24%.
Courant de court-circuit Icc (avec CdTe) infé-
rieur de 18 %.
c) Caractéristiques 1- V. - Elles sont relatives aux
structures avec CdTe intermédiaire.
1. La figure 5 montre comment la sous-couche
FIG. 5. - Caractéristique / == f (V).
de CdS améliore ces caractéristiques en supprimant
le contact redresseur Mo-CdTe (n) et réduisant la résistance série.
2. La figure 6 est relative à la caractéristique
I. V. directe à l’obscurité.
De l’expression du courant
où Rs est la résistance série, on détermine :
3. La figure 7 nous montre les variations de Vco et
¡cc en fonction de la puissance lumineuse reçue W.
Le courant croît linéairement avec la puissance
reçue avec un écart de l’ordre de 10 % aux forts
éclairement. La tension croît proportionnellement
207
FIG. 6. - Caractéristique I= f (V), obscurité.
FIG. 7. -- Vco = f(W); Icc = f(W).
à Log W sur la figure 8, comme le prévoit la théorie classique des homojonctions.
4. La figure 9 donne la réponse spectrale d’une cellule ; on notera la brusque chute vers 8 250 A.
5. Le rendement quantique déterminé à
 = 0,546 03BCm et À = 0,68 pLm est respectivement
de 0,68 et 0,85.
6. Le rendement énergétique sous un éclairement de 50 rnWjcm2 est de l’ordre de 3 %. On voit sur
la figure 10 que le point de charge optimum donne V0 = 315 mV, I, = 5 mA, soit une résistance opti-
mum de 63 Q pour une surface de 1 cnl2.
FIG. 8. - Caractéristique Vco - f (log W).
FIG. 9. - Réponse spectrale.
7. Le coefficient de forme V0 I0/Voc Icc atteint t 0,45.
8. Mesure de l’épaisseur de la zone désertée. Par
mesure de capacité de la jonction en polarisation inverse, on détermine des épaisseurs allant de 0,5 à
2 03BCm.
d) Traitement thermique. -- Nous avons étudié, ezl
fonction de la température, l’évolution de certains
paramètres.
Lorsque les photopiles ont un très mauvais rende- ment, l’évolution de Icc, Vco, et puissance fournie
sous un éclairement donné est conforme à la
figure 11. Ceci traduit une véritable transformation des cellules.
Malgré de si faibles températures on est tenté de
penser à une diffusion du cuivre par exemple.
Lorsque les cellules ont, dès le départ, de honnes caractéristiques, les phénomènes sont d’une autre
nature et se prêtent mieux à une interprétation. En général avec de bonnes cellules, avec ou sans
CdTe (i), les variations sont beaucoup plus faibles.
Le tableau résume les résultats pour des photo- piles avec Cu2_xTe évaporé, avec et sans CdTe (i)
et pour un traitement à 130 °C pendant 1/2 heure.
On est tenté d’expliquer ceci par une diffusion du cuivre de Cu2-xTe dans CdTe comme l’avait fait
208
FiG. 10. - Caractéristique 1 = f (V) E = 50 mW/cm2.
FIG. 11.
- Traitement thermique.
J. Bernard [2] travaillant sur CdTe massif. En effet ceci se traduit :
10 par un accroissement de résistance super- ficielle entraînant une diminution de Icc ;
2° par un accroissement de Vco par suite d’un
dopage p du CdTe (i) ou CdTe (n).
J. Bernard avait d’ailleurs conclu à la formation d’une homojonction en s’appuyant également sur
d’autres critères il est vrai ; toutefois si nous opérons
une évaporation ultérieure de Cu2_xTe destinée à
compenser cette perte, Icc et Vco diminuent et ceci
dans un rapport qui est celui correspondant à l’absorption de la couche de Cu2-rTe ajoutée.
Conclusions. - Par une méthode qui s’éloigne de
celle décrite par Cusano en ce qui concerne la réali-
sation de la couche p, nous avons donc pu réaliser des photopiles solaires en couches minces dont les caractéristiques actuelles sont encore modestes ; rappelons les :
Vco : 400 à 560 mV
Jcc : 7 mA/em2 (sous un éclairement de 50 mW/cm2
Coefncient de forme : 0,45.
1) : 3 %.
Mais nous savons que nous disposons encore d’un certain nombre de paramètres que nous pourrons faire varier pour accroître ce rendement.
Remerciements. - L’auteur remercie ses colla- borateurs ingénieurs et techniciens du groupe photo- piles solaires du Laboratoire d’Études et Recherches Générales de R. T. C. (Suresnes) qui ont réalisé et
mesuré ces photopiles solaires.
BIBLIOGRAPHIE
[1] CUSANO (D. A.), CdTe Solar Cells and photovoltaic Heterojonctions in II-VI compounds. Solid State
Electronics, 1963, 6, 217-232.
[2] BERNARD (J.), Thèse 3e cycle, Paris, 14 décembre
1965.
